钻井泵泵压防护系统的制作方法

本发明涉及石油钻井工程安全控制技术，尤其是涉及钻井泵的泵压防护。

背景技术：

1、随着石油开采技术的不断革新和钻修井新工艺、新技术的发展，对作为钻机“心脏”的钻井泵的功能性、经济性、安全性的要求也越来越高。而钻井泵闸门组作为钻井液循环系统中的关键设备，其技术性能与安全性的高低，直接关系到钻井泵作用的发挥。

2、目前国内外每台钻井泵闸门组的配备包括一个高压阀和一个低压阀，高低压阀的开关，仍然要靠人工操作，费时费力效率低下，且有一定的风险性。在开关高低压阀门时，往往由于人与人之间信息传递的错误产生误操作。这种误操作轻者引起设备损坏，重者导致设备报废甚至人员伤亡的重大事故。再者，钻井泵作为高压设备，其泵压防护方式仍然停留在使用老式的剪切式安全阀。这种安全阀仅有5-6个防护档位，有±10%以上的误差，而且安全销钉剪切后，若要重新恢复钻进，需要较长时间。这些弊端严重阻碍了钻井工艺及安全性的提高。比如在复杂地层的井段开展定向施工、水平施工或开窗侧钻时，易蹩泵憋开安全阀导致停泵，如果不能快速重新启动钻井泵，会使井下无法建立起钻井液循环，容易形成井壁缩径或坍塌，造成卡钻事故的发生。当钻井泵泵压瞬间升高超过防护级别时，若安全销钉剪切不及时极易引发设备损坏，甚至造成人员伤亡。

3、申请人之前提出的发明专利201811049380.2提出了一种石油钻井工程中防止钻井泵误操作的方法，在钻井泵和立管上各安装一个压力传感器，通过对比立管压力与钻井泵压力的差值，判断是否有钻井泵误操作发生。但这种方法在实际应用中有一定的局限性，一是当立压或泵压传感器损坏时系统会误判，二是未能解决高压阀门的自动启停问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术不足，提出一种泵压防护系统，通过泵压防护闸门组和控制单元实现高压阀和低压回流阀的打开或关闭，同时，通过控制单元实时监测电动阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力，并通过执行单元控对钻井泵进行介入式泵压防护控制。

2、本发明实现了钻井泵高低压闸门启停的自动化控制以及泥浆压力超限情况下的双重防护控制，可以有效防止泵压超高超限以及由于误判误操作造成的憋泵事故。

3、本发明采用的技术方案：

4、一种钻井泵泵压防护系统，包括高压阀、低压回流阀、信号采集单元以及控制单元，所述高压阀出口管道连接钻井高压管路，低压回流阀出口管道连接泥浆罐回流；由所述高压阀、低压回流阀和三通管构成泵压防护闸门组，所述三通管进水口的一端与钻井泵出水口相连，三通管另外两端一端连接高压阀，一端连接低压回流阀，所述高压阀采用电动阀或气动阀，所述低压阀采用气动阀，所述电动阀的开关控制继电器或气动阀的开关控制电磁阀受控连接于控制单元；所述电动阀或气动阀的限位开关输出信号连接所述控制单元；所述信号采集单元采用压力传感器安装在高压阀或钻井泵的出水管线上，压力传感器输出信号连接控制单元；所述控制单元实时监测高压阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力，并按照如下控制逻辑控制高压阀和低压回流阀打开或关闭，通过执行单元采用泵压防护电磁阀或泵压防护继电器对钻井泵进行介入式泵压防护控制：

5、当高压阀打开时低压回流阀关闭；当高压阀关闭时低压回流阀打开；

6、2）当高压阀打开且低压回流阀关闭时，如果高压阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力大于设定值n，n>0，则闭合串接在机械泵控制气路上的泵压防护电磁阀使钻井泵停止运行，或者断开串接在电动泵控制电路上的泵压防护继电器使钻井泵停止运行，或者打开连接泥浆罐回流的低压回流阀泄压。

7、步骤2）中，如果高压阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力大于设定值n，闭合串接在机械泵控制气路上的电磁阀或者断开串接在电动泵控制电路上的继电器，停泵；如果高压阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力大于设定值m，m>n，则打开连接泥浆罐回流的低压回流阀泄压。

8、所述控制单元采用工控机以及plc，所述plc通过串口与工控机连接；压力传感器输出信号通过ad模块连接控制单元的plc；所述执行单元，对于机械钻井泵，所述泵压防护电磁阀串接在机械钻井泵控制气路上；对于电动钻井泵，所述泵压防护继电器串接在电动钻井泵控制电路上，所述泵压防护电磁阀或泵压防护继电器受控连接于控制单元的plc。

9、所述的钻井泵泵压防护系统，对于含有两个以上钻井泵的钻井系统，和每一个钻井泵对应设置一个泵压防护闸门组，所述泵压防护闸门组的三通管进水口分别与对应的钻井泵的出水口相连，高压阀的出口管道连接钻井高压管路，低压回流阀的出口管道与泥浆罐相连；所述电动阀的开关控制继电器或气动阀的开关控制电磁阀受控连接于控制单元；所述电动阀或气动阀的限位开关输出信号连接所述控制单元；

10、所述控制单元实时监测电动阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力，并按照如下控制逻辑控制高压阀和低压回流阀打开或关闭，通过执行单元采用与钻井泵对应数量的泵压防护电磁阀或泵压防护继电器分别对相应的钻井泵进行介入式泵压防护控制：

11、（1）在同一个泵压防护闸门组中，当高压阀打开时低压回流阀关闭；当高压阀关闭时低压回流阀打开；

12、（2）在任一泵压防护闸门组中，当高压阀打开且低压回流阀关闭时，如果高压阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力大于设定值n，n>0，则闭合串接在机械泵控制气路上的泵压防护电磁阀使钻井泵停止运行或断开串接在电动泵控制电路上的泵压防护继电器使钻井泵停止运行；或者，打开连接泥浆罐回流的低压回流阀泄压。

13、一种钻井泵泵压防护系统，包括高压阀、低压回流阀、信号采集单元以及控制单元，所述高压阀出口管道连接钻井高压管路，低压回流阀出口管道连接泥浆罐回流；由所述高压阀、低压回流阀和三通管构成泵压防护闸门组，所述三通管进水口的一端与钻井泵出水口相连，三通管另外两端一端连接高压阀，一端连接低压回流阀；所述高压阀采用电动阀或气动阀，低压回流阀采用气动阀，所述电动阀的开关控制继电器或气动阀的开关控制电磁阀受控连接于控制单元；所述电动阀或气动阀的限位开关输出信号连接所述控制单元；所述信号采集单元采集高压阀或钻井泵的出水管线上的压力信号以及电动泵泵速给定信号传输到控制单元；所述控制单元实时监测高压阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力，并按照如下的控制逻辑控制高压阀和低压回流阀打开或关闭，通过执行单元控制电动泵泵速给定信号对钻井泵进行介入式泵压防护控制：

14、（1）当高压阀打开时低压回流阀关闭；当高压阀关闭时低压回流阀打开；

15、（2）当高压阀打开且低压回流阀关闭时，如果高压阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力大于设定值n，所述n>0，输出控制信号给电动钻井泵的控制装置，使钻井泵降速运行，或停泵，或打开连接泥浆罐回流的低压回流阀泄压。

16、步骤2）中，如果高压阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力大于设定值n，输出控制信号给电动钻井泵的控制装置，使钻井泵降速运行；如果高压阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力持续大于设定值n1，所述n1>n，则输出控制信号给电动钻井泵的控制装置，使钻井泵泵速逐渐降低直至停泵。如果高压阀或钻井泵的出水管线上的泥浆大于设定值n2,打开连接泥浆罐回流的低压回流阀泄压；所述n2>n1。

17、所述控制单元采用工控机以及plc，所述plc通过串口与工控机连接；压力传感器输出信号通过ad模块连接控制单元的plc；电动泵泵速给定信号通过ad模块转换后传输给plc；所述执行单元通过plc输出控制信号由da模块传输给电动钻井泵的控制装置，对钻井泵进行介入式泵压防护。

18、所述的钻井泵泵压防护系统，对于含有两个以上钻井泵的钻井系统，和每一个钻井泵对应设置一个泵压防护闸门组，所述泵压防护闸门组的三通管进水口分别与对应的钻井泵的出水口相连，高压阀的出口管道连接钻井高压管路，低压回流阀的出口管道与泥浆罐相连；所述泵压防护闸门组的电动阀开关控制继电器以及气动阀的开关控制电磁阀受控连接于控制单元；每个泵压防护闸门组的电动阀和气动阀的限位开关输出信号连接所述控制单元；所述信号采集单元实时采集高压阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力信号以及电动泵泵速给定信号传输到控制单元；所述控制单元实时监测电动阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力，并按照如下的控制逻辑控制高压阀和低压回流阀打开或关闭，通过执行单元控制电动泵泵速给定信号对钻井泵进行介入式泵压防护控制：

19、（1）当高压阀打开时低压回流阀关闭；当高压阀关闭时低压回流阀打开；

20、（2）当高压阀打开且低压回流阀关闭时，如果高压阀或钻井泵的出水管线上的泥浆压力大于设定值n，输出控制信号给电动钻井泵的控制装置，使钻井泵降速运行，或停泵，或打开连接泥浆罐回流的低压回流阀泄压。

21、发明有益效果：

22、1、本发明钻井泵泵压防护系统，采用由电动阀、气动阀和三通管构成的泵压防护闸门组，利用电动阀门扭矩大通径大的特点，使其成为钻井泵出水后的高压阀门，有利于泥浆液体在管线内流动。电动阀门还可以准确判断高压阀是否关闭，以确保泥浆泵启动时不会误操作，不会有憋泵的情况发生，确保石油钻井生产安全。

23、2、本发明钻井泵泵压防护系统，采用由两个气动阀和三通管构成的泵压防护闸门组，利用气动阀门启动快阀门打开快的特点，使其成为钻井泵出水后的低压回水阀门，在钻头水眼堵塞或旋塞关闭启泵时，能快速打开气动阀泄压，确保石油钻井生产安全。

24、3、本发明泵压防护系统，控制单元基于钻井泵泵压防护闸门组和信号采集单元，分析判断高压阀和低压阀的工作状态以及高压管路压力信号，并通过执行单元执行泵压防护，可以有效防止泵压超高超限以及由于误判误操作造成的憋泵事故，同时实现钻井泵高低压闸门启停的自动化，解决了高压阀门的自动启停问题，降低了人为因素影响。

25、4、本发明泵压防护系统，通过电动阀和气动阀在控制单元的作用下一开一闭设计以及通过控制单元对压力传感器采集的钻井泵出水后泥浆液体上下游压力的变化进行对比分析，两种方法结合实现了泵压双重安全防护，有效保障了石油钻井安全生产。且实施方案简单，无需改变现有泵压防护系统硬件，容易实现，具有较好的社会和经济效益。